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Le stockage de l’énergie…

… l’un des challenges de l’IMN

Annie Le Gal La Salle - Septembre 2014

2

L’Institut des Matériaux Jean Rouxel

CNRS – Université de Nantes

Recherche fondamentale et appliquée dédiée à la science des matériaux: 130 + 90 chercheurs sur 2 sites (Michelet/Chantrerie):

PMN : Physique des Matériaux et Nanostructure

PCM : Plasmas et Couches Minces

ID2M : Ingénierie des Matériaux et Métallurgie

MIOPS : Matériaux Innovants pour l'Optique et le Stockage

CESES : Conversion et Stockage de l'Energie Solaire

ST2E : Stockage et Transformation Electrochimique de l'Energie

+ collaborations…

3

Equipe CESES :

des objectifs et des collaborations

11 Permanents : 3 Chercheurs CNRS, 8 Enseignants-Chercheurs

15 Non permanents : 1 Ingénieur, 4 Post-Doc, 10 Thésards

Objectifs : i) Réduire le coût de production du Watt-crête photovoltaïque,

ii) Améliorer les rendements,

Photovoltaïque :

- CIGS (IMN-CESES/44Solar/Wysips, IMN/PCM/Crosslux)

- Cellules solaires hybrides (OPV) (IMN-CESES/CEA-INES/Armor/PCAS)

- Cellules à bandes intermédiaires (MiB)) (IMN/CESES-PMN, Nantes; LΦA,

Angers), Nano-OxTi (IMN-CESES/PCAS)

- iii) Convertir et stocker l’énergie solaire.

Photobatterie : Nouveau dispositif permettant la conversion et le stockage de

l’énergie solaire (IMN/CESES-ST2E/Armor)

Aval 4

Du matériau “avancé”

au transfert technologique

Validation de concepts Nouvelle génération de capteurs

Matériaux avancés Morphologies ou propriétés structurales différentes

sols et gels photosensibles (complexes de Ti) (Synthese, propriétés optiques, avec composés du Ti or perovskite)

Tests, Faisabilité et transfert technologique Scale-Up Materials (IMN/CESES, LIMATB, FIST-CNRS)

Solutions pour imprimantes jet d’encre

(ARDEJE Valence)

Prototypes, Design & Process Cellules solaires hybrides (CEA-INES, ARMOR, PCAS…)

(p- and n-type, synthèses et solutions pour films)

10X10 cm2, 7 ans

12 à 24% en 40 ans

(32%)

4 à 15.7% en 5 ans!

(>50%)

M. Richard-Plouet

L. Brohan

Amont

Pourquoi?

Photobatterie:

5

Architecture de la photobatterie (thèse G. Guignard, sept 2014)

WP3 :

Conductive (Metal or Carbon) Grid

(IETR, IMN/PCM, ARMOR)

TCO LFA

Polymer/glass

WP1 : Active Layers

IMN/CESES, IM2NP, IETR, ARMOR

WP4 : Membrane

IMN/PMN-CESES

(+)

(-)

Active Layer

Active Layer

…un assemblage complexe!

…plusieurs partenaires... encore “amont”

6

Equipe ST2E

SupercapacitorsSupercapacitors

T. Brousse

HT Fuel cells andHT Fuel cells andelectrolyserselectrolysers

O. Joubert

Lithium batteriesLithium batteries

D. Guyomard

Associate: B. Lestriez

SpectroscopiesSpectroscopiesSimulationsSimulations

P. Moreau

SupercapacitorsSupercapacitors

T. Brousse

HT Fuel cells andHT Fuel cells andelectrolyserselectrolysers

O. Joubert

Lithium batteriesLithium batteries

D. Guyomard

Associate: B. Lestriez

SpectroscopiesSpectroscopiesSimulationsSimulations

P. Moreau

Batteries Lithium Piles à Combustible Electrolyseurs

Supercondensateurs

7

Part de la consommation énergétique

liée au transport

Réchauffement climatique (CO2)

Ressources limitées en énergies fossiles

Equipe ST2E :

des objectifs …

Et des collaborations…

8

Regional :

- PERLE2 (4 PhDs)

National :

- IA : Labex Store-ex, Tours 2015

- ANRs : - 9 on-going :

Calice (Stock-E), BaSilic (Blanc Internat), Icares & Slim & Isicap (Blanc),

Graph’n’Stock & Alise & Flexcap (Progelec), Mecanano (Astrid)

- 9 applied in 2013

- ADEME : Valorpac (Titec)

- CEA-LITEN, CEA-INAC, DGA

- RS2E

European :

- Alistore-ERI

- Euroliion, Baccara (Interface), Roxsolidcell (Eurostar)

- Poznan Institute of Technology

International :

- INRS & UQAM Canada, TIT Japan, Univ. Newcastle Australia, Yamaguchi Univ. Japan,

Yonsei Univ. Korea

Industrial : BatScap (1997-2013) LMP techno

- BatScap (2), STMicro, Renault (2), Solvay, Hutchinson, Thales, Solvionics, SAFT

- Umicore, Bathium, Metafoam, FPInnovation

- Fiaxell, S3D, Syngas

9

On développe une technologie…

en fonction d’un besoin!

Recherches variées? Stockage =

…différentes échelles de puissance…

10

Micro-cogénération domestique

(1kW) SOFC

Ensemble de batteries Na-S 350°C

Stockage =

…des réponses différentes…

Unité de stockage d’électricité: 10MW, 60MWh (Hitachi au Japon)

11

Stockage =

…des réponses identifiées…

Pacemaker (Li)

Micropompe à insuline (Li)

Start & Stop, récupération énergie freinage, Supercondensateur

12

Stockage =

…des réponses en évolution?

Renault Twizy, Li-ion (ville) Honda FCX Clarity, PEMFC,

Perceuse, Supercondensateur

PAC

1 mois d’autonomie

Aujourd’hui… Demain…

Des recherches complémentaires… qui

répondent à des besoins différents!

13

Puissance instantanée

# Energie long

terme, autonomie

Activité Supercondensateurs:

14

- Recherche au cœur du matériau (capas x2): Carbones activés - Nouveaux dispositifs (bas coût, environnement)

O H

O H

O

O

+ 2 H + + 2 e -

O H

O H

O

O

+ 2 H + + 2 e -

O H

O H

O

O

+ 2 H + + 2 e -

L. Athouël

O. Crosnier

T. Brousse

Système hybride (asymétrique) Carbone/K2SO4/MnO2

pour remplacement de batterie Pb/PbO2.

- Nouvelles techniques (-calorimetrie, modelisation)

P. Guillemet

O. Crosnier

Métrologie et modélisation électrothermique

Modélisation multiéchelles (micro au macro)

Amont

Aval

Activité Batteries Li (36/55 dans ST2E):

15

- Na insertion - Batteries tout organiques et renouvelables

- Batteries à électrolyte liquide ionique

-….

- Process: SAFT, Renault, Batscap, …

F. Boucher, P. Moreau, J. Gaubicher

P. Poizot

J. Le Bideau

Amont

Aval

Activité Spectroscopies-Simulations:

Techniques de caractérisation pour tous matériaux

(Li, SOFC, nano-w, RRAM)

RMN, diffraction, méthodes spectroscopiques variées:

…de surface, de cœur, cartographies

lourdes… mais utiles:

Fonctionnement, Mise en évidence de défauts,

vieillissement,…

F. Boucher, P. Moreau, N. Dupré, G. Ouvrard

N. Barreau

Nathalie. Barreau@capacites.fr

Activité Piles à Combustible

17

Electrolyte

Air

Cathode

H2

O2-

e-

e-

Anode

O2 + 4 e- → 2O2-

2H2 + 2O2- → 2H2O + 4 e-

chaleur

SOFC: HF Electrolyseurs

Autres types de PAC

O. Joubert, E. Quarez,

P. Leone, A. Le Gal La Salle

Electrolyte céramique conducteur O2- et/ou H+

Nouvelles électrodes composites (metal/electrolyte)

ou conductrices mixtes ioniques/Electroniques

Mise en forme de cellules & tests avec nouveaux combustibles

L’hydrogène, pertinent:

18

VE (H2: 500/600 km, 3 min): construction japonaise (Hundaï), 77 stations en Californie … (3 immatriculations françaises de véhicules…!): H2 pertinent (/CO2)

France: protos: MobyPost (Franche Comté), 50km cycle postal, Mobilhytest (Kangoo Renault VE, avec autonomie à 80 km avec PAC), navires liaison Brest-Molène (PAC de 160 kW avec cogéné)

micro-cogénération: 70 000 jusqu’en 2013, 50 000 en 2014 (coûts réduits de 60% en 4 ans!) applications nomades: percuteurs bic, capteurs sismiques WH2, chariots élévateurs (Coca Cola et IKEA!)

….. vraie politique de stockage : gestion des renouvelables sources de H2 de demain diversifiées: biomasse

19

TITEC : Transfert pré-Industriel et Tests En Conditions réelles - Hydrogène

et piles à combustible. Objectifs : permettre de financer de nouveaux

démonstrateurs préindutriels.

Programme TITEC-ADEME :

VALORPAC (09/2012-09/2015)

Intégration d’une pile à

combustible dans une chaîne de

valorisation de déchets

20

Principe du Projet

Air

Stockage duCombustible

Résidus

5 à 10 %(Cendres, coke, etc.)

Combustible100%

Gazéifieur

Unité de Cogénération par Gazéification couplée à une pile SOFC

SOFC700-800°C

Air

Exhaust gas

Cold Water

HotWater

Electricité40 à 50 %

EchangeurThermique

Syngas : H2, CO

Systèmede

traitement du syngaz

Syngas + impuretés

Prouver le fonctionnement !

21

Partenaires

Modelisation (gazogène), fours, échanges de chaleur

Conception du gazogène, fourniture de gaz, tests de cellules sous syngaz

Fourniture de demi-cellules et de cellules complètes

Synthèse de matériaux, étude du fonctionnement des cellules sous syngaz

22

Les phases du Projet

3 modules :

MODULE 1

Production de gaz

MODULE 2

Valorisation du gaz et

production d’électricité

MODULE 3

Traitement du gaz /

Amélioration SOFC

Gazogène:

Bois => Syngaz

=> CO + H2

Conception/fabrication d’un pilote semi-industriel

• Gazéification: process breveté par S3d

• composition “idéale” pour SOFC

• N2/H2/CO/CO2/CH4 ,(45/15/15/10/<3), peu de

goudrons… # des gaz issus de méthanisation

23

Les phases du Projet

3 modules :

MODULE

Production de gaz

MODULE 2

Valorisation du gaz et

production d’électricité

Tests de labo :

Gaz reconstitués => Electricité

N2, H2, CO, CO2, CH4, autres U, I, P, ASR

• Effet des composants du gaz

• Limite de tolérance des

• contaminants

• (goudrons, sulfures, chlorures)

MODULE 3

Traitement du gaz /

Amélioration SOFC

Solutions de traitement du gaz

• Gaz chaud

• Gaz froid

Améliorations de la pile

Elargissement des conditions

d’utilisation selon résultats…

24

Les phases du Projet

3 modules :

MODULE 1

Production de gaz

MODULE 2

Valorisation du gaz et

production d’électricité

MODULE 3

Traitement du gaz /

Amélioration SOFC

25

Validation

gas Circulation

Temperature profile

Gas composition

Tars rate

Avancement du Projet

26

Influence de H2S

et autres polluants en cours

Vieillissement

Traitement des gaz

MOULE 2

Production

d’électricité Avancement du Projet

MODULE 3

Traitement

du gaz

Orientation des études:

- lien avec agro-alimentaire,

secteur énergivore en PdL,

- lien avec la filière bois…

27

Une conclusion?

IMN = partenaire: www.cnrs-imn.fr

VALORPAC: Synergie CNRS PME innovantes

… féconde et prometteuse…

Alors, en route pour …

Oser les projets, expliquer les potentialités de la filière H2

Rôle de la Région? OUI!

Faire évoluer les freins législatifs et autres…

Rôle de la Région? OUI!

Suivre une route définie (distribution),

mettre en lien les partenaires,

étudier la faisabilité « humaine »

Rôle de la Région? OUI! + que financements/évaluation scientifique, …PERLE? EMR?...

Merci de votre attention! annie.legal@cnrs-imn.fr

28

Projet MYRTE (Mission hYdrogène Renouvelable pour l’Intégration au Réseau Electrique)